王鳳來，朱 飛，張孝存，王海云

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，150090 哈爾濱;2.黑龍江省建設(shè)集團(tuán)有限公司，150046 哈爾濱)

哈爾濱17層住宅結(jié)構(gòu)方案對(duì)比與碳排放分析

王鳳來1，朱 飛1，張孝存1，王海云2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，150090 哈爾濱;2.黑龍江省建設(shè)集團(tuán)有限公司，150046 哈爾濱)

為了對(duì)比配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在碳排放量方面的優(yōu)劣，對(duì)同一棟住宅建筑分別采用兩種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).通過對(duì)結(jié)構(gòu)性能、工程造價(jià)的對(duì)比，以及原材料生產(chǎn)、運(yùn)輸和建筑施工過程中碳排放量的詳細(xì)計(jì)算分析，結(jié)果表明，采用配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行中高層住宅設(shè)計(jì)，可保證與混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)性能，同時(shí)降低工程造價(jià)10.9%，并降低碳排放量47.76 kg/m2，約合10.0%.相比于混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)建設(shè)高層住宅具有明顯的低碳節(jié)能優(yōu)勢，是“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”綠色建筑結(jié)構(gòu)形式.

配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu);混凝土剪力墻結(jié)構(gòu);工程造價(jià);碳排放量;對(duì)比分析

基于我國現(xiàn)階段生產(chǎn)力水平，建筑行業(yè)仍以人工作業(yè)為主，生產(chǎn)效率低下，浪費(fèi)了大量的勞動(dòng)力資源，同時(shí)帶來了嚴(yán)峻的環(huán)境問題.據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑行業(yè)所消耗的能源約占全社會(huì)總能耗的40%［1］;城市里碳排放 60%［2］來源于建筑行業(yè).所以對(duì)傳統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)行改造升級(jí)，尋求節(jié)能環(huán)保型的結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式，發(fā)展低碳建筑，減少建筑能耗，無疑是日后建筑行業(yè)發(fā)展的新方向.

建筑碳排放主要來源于建筑材料的碳排放;建筑施工的碳排放;建筑正常使用與維護(hù)的碳排放;建筑拆除及回收利用的碳排放.

為對(duì)比配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用于中高層住宅建筑建設(shè)時(shí)的碳排放水平，本文對(duì)哈爾濱市某17層住宅采用兩種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)性能、工程造價(jià)及碳排放量進(jìn)行對(duì)比分析.由于建筑使用及拆除階段的碳排放與結(jié)構(gòu)形式的相關(guān)性很小，故本文主要對(duì)該建筑建造階段的碳排放進(jìn)行分析，以突出對(duì)比結(jié)構(gòu)形式對(duì)建筑碳排放的影響，其碳排放清單如圖1.

圖1 建筑碳排放清單分析框圖

1 結(jié)構(gòu)方案簡介

1.1 主要建筑信息與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料

本工程為哈爾濱市住宅建筑，建設(shè)于2009年，總建筑面積17 558.72 m2，地上16層，地下1層，標(biāo)準(zhǔn)層平面每層 3個(gè)單元，建筑總高度49.200 m，建筑的設(shè)計(jì)使用年限為50年.

哈爾濱地區(qū)按6度(0.05 g)進(jìn)行抗震設(shè)防，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地類別為II類.50年一遇基本風(fēng)壓值為0.55 kN/m2，地面粗糙度類別為b類，建筑的風(fēng)載體型系數(shù)取1.3.此外兩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，鋼筋均采用HPB235級(jí)與HRB335級(jí).

1.2 鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)方案

混凝土剪力墻的抗震等級(jí)為四級(jí)，墻身采用C30混凝土，混凝土墻上有洞口而建筑無洞口處，采用陶粒混凝土砌塊填充.基礎(chǔ)采用直徑為400 mm的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30.該結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)圖紙由哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院提供.

1.3 配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)方案

在該工程設(shè)計(jì)中，混凝土砌塊、砂漿和灌芯混凝土強(qiáng)度等級(jí)，1～3 層分別為MU20、Mb20、Cb40，4～9 層分別為 MU20、MU15、Cb30，10～13層分別為 MU15、Mb15、Cb30，14～ 16 層 MU10、Mb10、Cb20.圈梁混凝土強(qiáng)度1～9層為C30，10～16 層為C25.該結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)圖紙由哈爾濱工業(yè)大學(xué)混凝土與砌體結(jié)構(gòu)研究中心提供.

1.4 兩種方案的結(jié)構(gòu)性能對(duì)比

風(fēng)荷載作用下，配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)的最大樓層位移角為1/3 980，剪力墻結(jié)構(gòu)為1/1 868.地震作用下，配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)的第一階自振周期分別為1.22、1.43 s，最大樓層位移分別為1/5 463、1/3 237，底層抗剪承載力分別為22 500、18 610 kN.配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)的抗傾覆承載力與傾覆力矩的比值為18.9，剛重比為11.6，剪力墻結(jié)構(gòu)分別為15.9、8.3.整體來看兩種方案的結(jié)構(gòu)性能相似，而配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)承載力、結(jié)構(gòu)水平剛度、抗傾覆承載力、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性都要略高于剪力墻結(jié)構(gòu).

2 工程造價(jià)對(duì)比

該工程兩種結(jié)構(gòu)方案的工程造價(jià)資料均由黑龍江省建筑設(shè)計(jì)研究院提供，工程造價(jià)對(duì)比結(jié)果見表1.

表1 兩種結(jié)構(gòu)方案工程造價(jià)對(duì)比［2］

由表1可知，配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)在鋼筋、混凝土用量，總用工量，模板使用量和間接費(fèi)方面均具有較大的節(jié)省優(yōu)勢，總工程造價(jià)節(jié)省10.9%.此外由于墻體無需支模養(yǎng)護(hù)，提高了施工周轉(zhuǎn)速度，工期可以縮短20%～25%.

在上述預(yù)算分析中，墻體抹灰厚度均按20 mm考慮.而實(shí)際上砌塊采用標(biāo)準(zhǔn)模具進(jìn)行生產(chǎn)，表面平整度較好，因而僅需8～10 mm的抹灰厚度就可滿足墻面平整度的要求;而現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)由于模板變形等原因，即使20 mm的抹灰厚度也較難達(dá)到要求.故若考慮抹灰厚度影響，配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)的造價(jià)將更低.此外，抹灰變薄可使使用面積增加3%～5%.

3 碳排放量計(jì)算方法綜述

3.1 碳排放因子的取值

由于國內(nèi)和國外在技術(shù)水平和生產(chǎn)工藝方面存在差異，碳排放計(jì)算優(yōu)先采用國家相關(guān)部門、國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)、以及國內(nèi)文獻(xiàn)資料中給出的排放因子.本文引用的材料碳排放因子及數(shù)據(jù)來源見表2.表中“廢棄比例”，是指建筑材料，在二次加工及施工過程中的損耗及廢棄率;其取值主要依據(jù)是黑龍江省的相關(guān)定額數(shù)據(jù).

表2 常用建筑材料的碳排放因子及施工廢棄比例

對(duì)于混凝土、砂漿等復(fù)合型材料，應(yīng)考慮組成材料的碳排放量及所采用生產(chǎn)工藝的碳排放量兩部分.例如對(duì)于預(yù)拌商品混凝土，可按其配合比分解成水泥、沙子、石子(水不考慮碳排放)，考慮每種材料的碳排放量，并在施工過程中考慮生產(chǎn)成品混凝土拌合物所用攪拌和振搗設(shè)備的碳排放量.按照上述方式計(jì)算C30混凝土以及M5、M10砂漿的碳排放因子見表3.值得注意的是，表中碳排放值僅考慮了原材料生產(chǎn)的碳排放量，并未考慮生產(chǎn)工藝的碳排放量，其相關(guān)值在施工階段中進(jìn)行計(jì)算.

表3 單位體積(1 m3)混合材料的碳排放量計(jì)算

3.2.1 原材料碳排放計(jì)算

建筑材料生產(chǎn)的碳排放占建筑整個(gè)生命周期碳排放量的 8%～12%［6］，其碳排放量較大.建筑材料生產(chǎn)階段碳排放量可按下式［3，6］計(jì)算:

式中:n為建筑物所使用建筑材料的種類，wi為建筑材料在施工過程中的廢棄比例，mi為所使用建筑材料的用量，EFi，m為生產(chǎn)單位建筑材料的CO2排放量.

3.2.2 材料運(yùn)輸碳排放量計(jì)算

建筑原材料運(yùn)輸碳排放量可按下式［3，7］計(jì)算:

式中:di為建筑材料從生產(chǎn)地到施工現(xiàn)場的運(yùn)輸距離;EFi，trans為單位建筑材料運(yùn)輸單位距離的碳排放量;ai為不同能源單位能耗的CO2排放系數(shù)，煤為103 281 g·GJ-1，柴油為76 026 g·GJ-1;Tc為單位建材運(yùn)輸單位距離的能耗，見表4.

表4 常見運(yùn)輸方式的單位能耗T

表4 常見運(yùn)輸方式的單位能耗T

運(yùn)輸方式 單位能耗/(MJ·(t·km)－1公路(距離≤50 km) 8.31)公路(距離＞50 km) 3.10鐵路運(yùn)輸 3.05

3.2.3 施工過程碳排放量計(jì)算

建筑施工過程碳排放量可按下式［6，9］計(jì)算:

式中:m為施工過程中不同施工類型的數(shù)目;si為每種施工類型施工總量;Pi為每種施工類型的單位能耗(或單位燃油消耗量)，EFi不同能源的CO2排放因子，燃油為 3.186 3 kg/kg［10］，電為0.881 1 kg/kWh［11］(工程建設(shè)于 2009 年，電力碳排放因子值參考當(dāng)年東北區(qū)域電網(wǎng)的數(shù)據(jù)).

4 碳排放量對(duì)比分析

4.1 原材料碳排放計(jì)算

本文主要考慮了結(jié)構(gòu)材料的碳排放量(見表5)，以明確對(duì)比結(jié)構(gòu)方案對(duì)碳排放量的影響.剪力墻結(jié)構(gòu)與配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)墻面抹灰厚度分別按20、10 mm考慮.此外模板可多次周轉(zhuǎn)使用，本文根據(jù)周轉(zhuǎn)次數(shù)考慮其在每次使用過程中的均攤碳排放量(見表6).

表5 兩種結(jié)構(gòu)方案原材料碳排放量

表6 兩種結(jié)構(gòu)方案模板均攤碳排放量 t

4.2 運(yùn)輸階段碳排放計(jì)算

鋼材由鞍鋼運(yùn)送至哈市，火車運(yùn)輸650 km，卡車轉(zhuǎn)運(yùn)60 km;其余材料采用卡車運(yùn)輸.砂漿、砌塊、混凝土、模板由生產(chǎn)廠或存放處至工地的距離為60 km，水泥、砂石由開采地至生產(chǎn)廠的距離為100 km.運(yùn)輸階段碳排放量見表7.

表7 兩種結(jié)構(gòu)方案材料運(yùn)輸碳排放量

4.3 施工階段碳排放計(jì)算

施工碳排放計(jì)算根據(jù)工程預(yù)算書進(jìn)行.按照施工定額，確定各施工類型所需施工機(jī)械的臺(tái)班數(shù)及單位臺(tái)班的能耗數(shù)據(jù)，從而獲得總的能耗量;而對(duì)于一些臨時(shí)性措施，比如施工場地的臨時(shí)供電與照明，按施工組織情況，估算其每天的耗能量.由此可根據(jù)能源碳排放因子確定碳排放量.施工階段碳排放量對(duì)比見表8.

表8 兩種結(jié)構(gòu)方案施工階段碳排放量

4.4 碳排放量對(duì)比

兩種結(jié)構(gòu)方案的建筑建設(shè)階段碳排放量對(duì)比見表9.相比于剪力墻結(jié)構(gòu)，配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)可降低碳排放量47.76 kg/m2，約合10%.

表9 原材料生產(chǎn)及施工過程中碳排放量對(duì)比

通過參閱相關(guān)文獻(xiàn)資料得到的國內(nèi)部分研究人員計(jì)算的中高層建筑原材料生產(chǎn)及施工階段碳排放量見表10.表中原材料生產(chǎn)階段碳排放，由于本文只考慮了主要的結(jié)構(gòu)材料，故相對(duì)較低;而運(yùn)輸階段碳排放由于材料供應(yīng)商遠(yuǎn)近、運(yùn)輸條件的不同，可比性不是很大.案例1施工階段碳排放量計(jì)算值偏低，可能是其在工程量的統(tǒng)計(jì)方面存在偏差;案例2的施工階段碳排放量是按單位面積施工耗能量估算的，其取值偏高;案例3的施工階段碳排放根據(jù)臺(tái)灣學(xué)者對(duì)臺(tái)灣建筑碳排放統(tǒng)計(jì)調(diào)查，用線性回歸的方法推演的簡化計(jì)算公式計(jì)算，應(yīng)用于大陸地區(qū)可能存在一定的偏差;案例4施工階段碳排放量的計(jì)算方法與本文相似，但案例4的數(shù)值較低，其原因是本文取機(jī)械施工定額外，還考慮了工地臨時(shí)性措施(如臨時(shí)供暖供電)所產(chǎn)生的碳排放量.綜合上述4個(gè)案例得到的平均值，與本文的計(jì)算結(jié)果吻合較好，說明本文計(jì)算值有可信度.

表10 國內(nèi)部分研究人員計(jì)算得到的建筑原材料生產(chǎn)及施工階段的碳排放量

5 結(jié) 語

通過對(duì)哈爾濱市1棟17層住宅，分別采用剪力墻結(jié)構(gòu)方案與配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)其材料生產(chǎn)，運(yùn)輸及施工階段的碳排放量進(jìn)行計(jì)算分析.結(jié)果表明，配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)在保證結(jié)構(gòu)的承載能力與變形性能，降低工程造價(jià)的同時(shí)，碳排放亦降低.

由于配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)節(jié)約了大量的鋼材與混凝土，故其在降低原材料的碳排放方面具有較大優(yōu)勢;同時(shí)節(jié)約了大量模板，輔助建筑材料的碳排放量降低;并且降低了混凝土用量，降低了泵送混凝土的能耗量.此外，工期上根據(jù)工程實(shí)踐可以獲得提高20%～25%的施工速度優(yōu)勢，可以節(jié)約在場地照明、臨時(shí)采暖等方面的碳排放量.

通過本文的對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，較剪力墻結(jié)構(gòu)，配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)在原材料生產(chǎn)、運(yùn)輸及施工過程中可降低碳排放量47.76 kg/m2，約合10%，具有相當(dāng)大的低碳優(yōu)勢.配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)與我國倡導(dǎo)發(fā)展綠色建筑的方針相一致，是“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”綠色建筑結(jié)構(gòu)形式.

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Comparison and analysis of structure design and carbon emissions of a 17-storey residential building in Harbin

WANG Fenglai1，ZHU Fei1，ZHANG Xiaocun1，WANG Haiyun2
(1.School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China;2.Heilongjiang Construction Group Co.，LTD，150046 Harbin，China)

To compare the pros and cons of reinforced concrete block masonry shear wall structure(R.M.system)with reinforced concrete short-limb shear wall structure(R.C.system)in the area of carbon emissions，both structural systems were used for the structure design of a 17-storey residential building，and the detailed analysis of the structure performance，project cost and carbon emissions in the process of material production，transportation and construction was carried out.The results show that using the R.M.system for the construction of Multi-storey residential buildings can gain similar structure performance to the R.C.system，and at the same time reducing the project cost by 10.9%，reducing the emissions of Carbon Dioxide by 47.76 kg/m2(10.0%).Comparing with the R.C.system，the R.M.system has the advantage of less carbon emissions and energy consumption for the construction of high-rise residential building，and it’s a kind of green building system with the property of‘resource-saving，environment-friendly’.

reinforced concrete block masonry shear wall structure;reinforced concrete shear wall structure;project cost;carbon emissions;comparison and Analysis.

TU365

A

0367－6234(2014)02－0011－05

2012－11－01.

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAJ12B03);住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部研究開發(fā)項(xiàng)目(2010－k2－1);黑龍江省建設(shè)集團(tuán)有限公司聯(lián)合科研項(xiàng)目(MH20100436).

王鳳來(1971—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

王鳳來 ，wflai@sina.com.

(編輯 趙麗瑩)